一階方程:恰當方程與代換

代換法(substitution method)

代換法是 v = y/x 與 v = y^(1-n) 背後的一般藝術:當方程在目前的變數下很難時,引入一個新變數來捕捉方程真正在乎的那個組合,方程往往就變換成可解的標準類型之一——可分離或線性。它與其說是單一公式,不如說是一種靠辨認結構來運用的策略。

機制總是相同的三個動作。第一,依方程的形狀挑選代換 u = g(x, y)——常常是方程裡重複出現的那塊。第二,微分以把舊導數 dy/dx 用新變數與 du/dx 表示,並把一切代入;做得好的話,原變數那份彆扭的依賴就相消掉了。第三,解較簡單的變換後方程,再反轉代換以取回 y。整個回報全靠把那一團雜亂的組合選成單一乾淨的符號。

值得記住的常見樣式:依賴 y/x 的方程要用 v = y/x;形如 dy/dx = f(ax + by + c) 的方程要用 u = ax + by + c,這總會把它變成可分離;白努利方程要用 v = y^(1-n)。誠實的提醒是:一般而言並無演算法能找出正確的代換——這是樣式辨認,而你能如此攻破的方程,只是一份小而精選的清單,這正是其餘方程之所以需要數值方法的原因。

解 dy/dx = (x + y + 1)^2。右側只依賴 u = x + y + 1,故代入它:du/dx = 1 + dy/dx = 1 + u^2。這是可分離的:du/(1 + u^2) = dx,於是 arctan(u) = x + C,得 x + y + 1 = tan(x + C),故 y = tan(x + C) - x - 1。

把重複出現的那塊命名為 u = x + y + 1,一個可分離方程便出現了。

並無萬用的代換;此方法之所以可行,僅因少數可辨認的形式有已知技巧。若沒有任何標準樣式合用,代換通常幫不上忙,而這是正常的——大多數方程根本沒有初等解。

又稱
change of variablemethod of substitution變數變換法